竖井排烟口对L型高层建筑烟气流动特性影响的模拟研究

梁 瑞，戴淑灵，文 博

(兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050)

0 引言

火灾烟气是火灾事故中人员死亡的最主要因素。高层建筑内部通道结构较多且连接相对复杂，其中竖井和走廊是高层建筑的主要通道结构。在各楼层中，走廊结构往往又与竖井结构直接相连，是发生火灾时烟气运动的主要路径[1-3]。当建筑内部发生火灾时，烟气会通过走廊等结构水平运动至各类竖井结构中，并在烟囱效应的作用下向上竖直运动，直至烟气蔓延到整个建筑物。在高层建筑设计中，为了能够促进室内外气流交换，及时排出室内热烟气，通常会在竖井结构最高处设置排烟口进行排烟，鉴于该方式设计简单、经济实用，因此被广泛普及使用[4-6]。

李元洲等[7]以高层建筑的竖井排烟为研究对象，利用全尺寸实验对不同竖井高度和火源功率下竖井的控烟效果进行分析，得出在火源功率不变时，竖井高度与烟囱效应成正比，而火源功率增大时需提高竖井高度或减小补风口面积才能达到最好的控烟效果。张靖岩等[8]利用FDS模拟验证高层建筑利用竖井排烟的可行性。杨云春等[9]以长廊型风洞为实验对象，采用实验与数值模拟相结合的方法，研究自然通风下走廊中常见的几种烟气控制模式效果，比较得出在排烟量不变并同时开启排烟口和挡烟垂壁时效果最好的烟气控制模式，但是并未将走廊与竖井相结合来研究烟气的控制效果。毕伟民等[10]利用FDS软件模拟高层建筑物在防火门开启的状态下各层楼梯间及走廊中火灾烟气各参数的变化情况，得出在中性面以上，危险性和高度成正相关，中性面以下成负相关。张威等[11]以高层建筑L型走廊模型为研究对象，采用FDS软件分别对设置排烟口排烟和设置缓冲区排烟2种模式进行模拟，并进行对比分析，得出更适用于L型走廊的防排烟模式。目前国内外研究中，多是单独对走廊或竖井内烟气的流动特性和控制方法进行研究，尚未有结合走廊和竖井结构探究内部各因素对烟气流动特性影响的研究，且学者们大多关注直线走廊，对类似于L型的较复杂建筑研究较少。L型建筑结构特殊，平面2部分既有分割又相互联系，便于对某些要求既联系又相对要求隔离的房间进行设计布置，如学校建筑的普通教室和声乐教室。因此，本文利用FDS软件建立L型高层建筑模型，研究竖井排烟口面积对结构中烟气运动规律的影响。

1 理论分析

火灾实验表明，如果烟气流动过程中未受到外界干扰，则烟气呈层流流动状态；若烟气受到通风口以及排气设备的干扰，则由层流状态变为湍流流动。

当发生火灾时，在短时间内建筑物内外产生较大的温差，室内外空气的密度随之出现差异，引发浮力驱动的烟气流动[12]，而当浮力驱动烟气进入到竖井中时，竖井中由于热浮力的作用导致气体竖直向上运动从而产生烟囱效应[13]。烟囱效应在竖井底部产生负压，这会对火灾环境内烟气蔓延形式及规律产生重大影响[14]。随着压差的增大，烟囱效应在烟气运动中占主导因素，压差越大竖井中的烟囱效应越强。

竖井底部A点和顶部B点的压力[15]，如式(1)～(2)所示：

pA=pC+Δp1

(1)

pB=pD+Δp2

(2)

式中：pC为竖井底部外压力，Pa；pD为竖井顶部外压力，Pa；Δp1，Δp2为竖井底部开口流入和顶部开口流出的局部阻力，Pa。

又由于竖井底部和顶部外压力如式(3)～(4)所示：

pC=pD+ρ0gh

(3)

pA=pB+ρSgh

(4)

由式(1)～(4)可得：

(ρ0-ρS)gh=Δp1+Δp2

(5)

式中：ρS，ρ0分别为竖井内部烟气密度和空气密度，kg/m3；h为竖井高度，m；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

设烟气距中性层上部或下部的高度为hN，则竖井内外压差Δph的绝对值如式(6)所示：

Δph=|(ρ0-ρS)ghN|

(6)

将空气和烟气视为理想气体，则空气和烟气的密度分别如式(7)～(8)所示：

(7)

(8)

式中：T0，TS分别为空气和竖井内烟气的绝对温度，K；p0为当地大气压力，Pa；pS为竖井内外烟气压力，Pa；R0和RS分别为空气和烟气的气体常数。

竖井内外气体的平均压力取当地大气压，即p0=pS=101 325 Pa；空气和烟气的气体常数相近，可取为空气的气体常数，即R0=RS≈R，简化可得中性面位置处的内外压差如式(9)所示：

(9)

2 模型的建立

2.1 基本参数设置

以某高校化学实验楼为建筑背景，构建L型走廊和竖井，该建筑共9层，每层层高4.0 m，L型走廊的短走廊长9.5 m，长走廊长20 m，走廊宽为3.0 m。在每层的短走廊顶端设置面积为1.5 m×1.5 m的窗口，距离地面高度1.0 m，结合实验楼实际结构以及《自然排烟系统设计、施工及验收规范》[16]，进行合理的结构简化，保留建筑结构烟气流动特征，删除不参与分析目标的次要特征。同时，需要排烟的房间和疏散走道内的通风口的有效面积不应小于该房间和走道地面面积的2%，固排烟口面积不应小于1.6 m2。在右端设置宽度为2 m，高度为2.5 m的双开门与竖井结构连通。竖井其右端为采光区域，一般情况下处于关闭状态，保留底层和顶层面积为1.5 m×1.5 m的窗口开启进行自然通风，平面图如图1所示。

图1 某高校化学实验楼平面图Fig.1 Floor plan of a chemical laboratory building in a university

2.2 网格划分

(10)

计算可得D*为1.12 m，所以网格尺寸d应在0.07～0.28 m之间。此外，网格尺寸越小，计算精度越高，但计算量也会大大增加，严重的情况下，会导致计算不收敛，因此对网格的独立性进行验证。

在同一模型下，设置网格尺寸为0.025 m×0.025 m×0.025 m,0.05 m×0.05 m×0.05 m,0.1 m×0.1 m×0.1 m,0.25 m×0.25 m×0.25 m,0.5 m×0.5 m×0.5 m,在这5种网格尺寸下对竖井中部的烟气温度变化分别进行模拟，由图2可以看出随着网格尺寸的减小，温度逐渐趋向某一定值，网格尺寸为0.025 m和0.05 m时竖井中部的烟气温度与尺寸为0.1 m时相比变化不大。

图2 不同网格尺寸下竖井中部温度变化Fig.2 Temperature change at middle of shaft under different grid sizes

综上所述，考虑模拟工作量的大小，本次FDS模拟采用网格尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m最为合适。

2.3 火源设计

尽管可燃物种类不同，但在火灾初期增长阶段，热释放速率近似按照时间的t2规律发展，因此火灾的增长曲线可由式(11)表示[17]:

Q=αt2

(11)

式中：Q为热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW/m2；t为火灾发生后的时间，s。

在火灾场景设计中，根据火灾增长系数的不同，t2火又进一步分为慢速型、中速型、快速型和超快速型4种类型。在性能化设计中，火灾类型常选为快速型或中速型，本文选取中速型火灾，其火灾增长系数为0.011 27。根据《建筑防烟排烟系统技术标准》规定[18]，存在喷淋系统的办公室、教室、客房、走道的火灾达到稳态时热释放速率可取1.5 MW。又因火灾单位面积热释放速率为500 kW/m2，因此设置火源面积为1.5 m×2.0 m，燃料选择为聚氨酯。汤静等[19]在对4种典型结构走廊中烟气流动特性的研究中指出：L型走廊在其拐角处受到建筑封闭结构的阻碍和反浮力作用，热烟气容易积聚，不利于人员疏散，形成危险区域。安伟光等[20]通过研究火源及通风对L型走廊火灾的影响得出：当火源在L型走廊拐角处时，对走廊的破坏最大。因此，本文将火源设置在走廊拐角，研究其烟气运动规律。

2.4 测量系统设置

假设该建筑的消防系统完好，为测量火灾过程中温度的分布特点，每层窗口中间设置1个温度探测器，每层走廊设置温度探测器和CO浓度探测器各3个，短走廊探测器距离窗口0.2 m，中间探测器分布在拐角处，长走廊探测器距双开门0.2 m，探测器距地板高度均为1.8 m。竖井中竖直方向每隔4 m设置1个温度探测器和1个CO浓度探测器，各设置9个。因为速度探测器只能检测到某一个点的速度，没有流量测量装置覆盖全面，故在走廊各窗口和门的表面安装流量测量装置，以探测各表面的气流流量随时间变化的趋势。

2.5 排烟口面积设计

其他参数保持不变，选取5种不同的排烟口面积，将排烟口设置在竖井的顶端进行机械排烟，具体面积参数如表1所示。数值模型图如图3所示。

表1 排烟口面积参数Table 1 Area parameters of smoke exhaust vent

图3 某高校化学实验楼模型Fig.3 Model of a chemistry laboratory building in a university

3 结果分析

3.1 排烟口面积对烟气蔓延的影响

不同排烟面积下，烟气蔓延到顶部的运动分布如图4所示。对比面积0～5 m2，随着排烟口面积的增大，低层区域烟气的运动范围明显减小，且到达竖井顶部的时间从140，130，120，115，110 s依次减少。封闭竖井内烟气运动较为缓慢，烟气到达竖井后向其他走廊扩散，火灾前期低层走廊烟气蔓延更为明显。当排烟口面积增大，低层走廊中的烟气蔓延程度也逐渐减小。

图4 火灾前期不同排烟口面积下烟气运动分布图Fig.4 Distribution of smoke movement under different smoke exhaust vent areas in early stage of fire

图5为火灾相对稳定阶段(365 s)时不同排烟口面积下走廊和竖井中的烟气运动分布情况，可以看出，在5种面积下竖井底部的通风口均未有烟气溢出，说明此处的风压值较室外气压值小；而在竖井顶部的通风口处均有烟气溢出，表明此处的内部压力大于室外压力。随着排烟面积的增大，竖井上下的压差增大，烟气在竖井中的运动速度加快，到达竖井顶部的时间明显减少。在火灾后期，随着排烟口面积的增大，建筑和竖井内部以及和竖井顶部通风口烟气的蔓延程度均减小，对高层烟气的控制效果更强。

图5 火灾后期不同排烟口面积下烟气运动分布图Fig.5 Distribution of smoke movement under different smoke exhaust vent areas in later stage of fire

3.2 排烟口面积对竖井内温度的影响

因系统中存在喷淋，所以建筑内温度未达到较高值，且在不同排烟口面积下，因竖井底部更靠近火源和通风口，竖井顶部存在机械排烟和通风口，温度不具有稳定性和规律性，故本文选取温度变化较为稳定的竖井中层进行分析。

在火灾前期，未增加排烟口时，竖井内的温度保持不变然后稳定上升，当增加排烟口后，竖井中的温度均先降低再升高，这是由于在150 s之前烟气还未从L型走廊蔓延到竖井中，而竖井中的机械排烟已开始运作，所以排烟口的抽吸现象导致了竖井中温度低于室温，且排烟口面积与竖井内的温度成负相关。由图6可以看出，当排烟口面积从4 m2增加为9 m2时，温度衰减较为明显，增大为 12 m2时温度衰减变化却不大。由此可知，排烟口面积并非越大越好，而是存在于9～12 m2的某个临界值。

图6 不同面积排烟口下竖井中层温度变化Fig.6 Temperature change at middle layer of shaft under different areas of smoke exhaust vent

在火灾前期，随着排烟口面积的增大，温差绝对值呈幂函数规律变化，在200 s以后，9 m2和12 m2面积下的温差绝对值呈指数规律衰减。结合图7可知，200 s以后烟气蔓延到竖井中，烟气的温度中和了排烟口抽吸现象导致的温度降低，故温差开始减小。0 m2和1 m2面积下的温差绝对值呈指数规律增加，不存在抽吸现象或抽吸现象不明显，当烟气进入竖井后温差始终保持递增。而排烟口面积为4 m2时，温差绝对值变化最小，由式(9)可知温差越大则压差越大，驱动力也越强，故竖井中烟气的驱动力最小。在320 s之前，排烟口面积为12 m2的温差最大，320 s之后，无排烟口的竖井温差最大。

图7 不同排烟口面积下竖井中层内外温差绝对值Fig.7 Absolute value of temperature difference between inside and outside at middle layer of shaft under different areas of smoke exhaust vent

3.3 排烟口面积对竖井内CO浓度的影响

在竖井中由于竖井底部靠近火源和底部通风口，导致CO浓度不稳定，不利于研究其规律。因此在5种排烟面积下，分别观察在火源稳定阶段(365 s)竖井中部以上CO浓度的分布情况。由图8可以看出在竖井中部位置各工况下的CO浓度均最低，几乎为0，其后随着高度的增加CO浓度升高，该现象是因为在建筑的顶部烟气没有及时排出，存在聚集情况。在竖井中上部位置，排烟口面积越大，CO浓度越低。

图8 火灾后期不同排烟口面积下CO浓度变化Fig.8 Change of CO concentration under different smoke exhaust vent areas in later stage of fire

3.4 排烟口面积对走廊窗口气流流量的影响

窗口的气流速度等于流量除以面积，窗口的面积为定值2.25 m2。随着排烟口面积增大，竖井排烟能力增强。如图9所示，可以看出在火灾后期(100 s后)，6层以下的窗口速度均为负值，窗口内部的压力小于外部压力，此时窗口只有空气流入，不存在烟气的溢出；6层以上的窗口速度为正值，当烟气蔓延到此处时，将会发生溢出。由图9可看出6层为气体流量的分界层，因此6层为建筑的中性面位置，在中性面以下，室内空气呈负压，室外空气向室内流动；在中性面以上，室内空气呈正压，室内空气向外流动。

图9 不同排烟口面积下走廊窗口气流流量Fig.9 Window airflow rate of corridor under different areas of smoke exhaust vent

随着排烟口面积的增大，在火灾初期(100 s前)，各层窗口气流速度均为负值，由于机械排烟的抽吸作用，6层以上窗口处有更多的空气进入室内，且排烟口面积越大，抽吸作用更强，6层以上与6层以下之间排烟速度差别增大。

4 结论

1)随着排烟口面积的增大，烟气从L型走廊蔓延到竖井顶部的时间明显缩短，且在火灾稳定阶段，在中性层以上发生烟气的向外蔓延，整体蔓延程度减小。中性层以下走廊的蔓延程度显著减小。

2)在320 s之前，排烟口面积越大，竖井内外温差越大，则压差的绝对值取得最大值。320 s之后正好相反。在竖井中部位置，不同排烟面积下CO浓度相似，随着高度的增加CO浓度与排烟口面积成负相关。

3)6层为建筑的中性面位置，在此处建筑的内外压力相等。由于火灾发生在中性层以下位置，当烟气在竖井中上升到达6层以上时，烟气流出竖井并从L型走廊蔓延到窗口处溢出。随着排烟口面积的增大，6层以上窗口的气流速度与6层以下窗口气流速度的差别增大。